Polscy naukowcy rozwiązali problem, z jakim badacze nanomateriałów węglowych zmagają się w laboratoriach całego świata. Sięgając po metodę sprzed ponad 150 lat oddzielili wybrany rodzaj nanorurek z wielu innych, które różnią się od siebie średnicą o długość promienia atomu wodoru.
Autorem szybszej i tańszej niż dotychczas stosowane metody jest dr hab. inż. Dawid Janas, chemik z Politechniki Śląskiej. Jak tłumaczy, nanorurka – zbudowana z węgla i pusta w środku – powstaje poprzez zwinięcie płaszczyzny grafenu, jak kartki papieru, w maleńki rulon. Sęk w tym, że taką kartkę można zwinąć na wiele różnych sposobów pod różnym kątem. Wówczas nanorurki radykalnie różnią się od siebie swoimi właściwościami.
– Istnieją nanorurki metaliczne, które lepiej przewodzą prąd niż miedź. Inny typ jest pożądany przy budowie tranzystorów. Zatem ktoś, kto chce zbudować tranzystor o określonych parametrach, musi wybrać nanorurki półprzewodnikowe o konkretnym sposobie zwinięcia. Nawet delikatna różnica w sposobie zwinięcia powoduje różnice we właściwościach pojedynczych nanorurek – mówi dr Janas.
Inne obiecujące, choć – jak zaznacza naukowiec – kontrowersyjne na razie zastosowanie nanorurek analizują uczeni ze Stanów Zjednoczonych. Jest ono związane z ich właściwościami optycznymi. Otóż jeśli podzielić nanorurki na różne typy, to będą one kolorowe – fioletowe, żółte, zielone – choć przecież zbudowane są z węgla. Stąd można z ich pomocą obrazować procesy zachodzące w żywym organizmie. Wyselekcjonowane typy nanorurek węglowych w roztworze są idealnymi kontrastami do obrazowania organów.
– W badaniach prowadzonych w klinice w Nowym Jorku roztwory nanorurek są wstrzykiwane do krwi szczurów, co pozwala oceniać stan choroby i funkcjonowanie organizmu. Nie dość, że potrzeba dużo mniejszego stężenia, żeby zobrazować wnętrze organu, to badania pokazały, że jest to mniej toksyczne niż obecnie stosowane substancje. W klinice nowotworowej nie ma dobrych rozwiązań do obrazowania wszystkich guzów. W tym przypadku cokolwiek jest ratunkiem dla chorych. Dodatkowo możliwe jest skierowanie nanorurek dla bardzo czułego obrazowania danej lokalizacji – twierdzi chemik z Politechniki Śląskiej.
Kiedy naukowcy syntezują, czyli „produkują” nanorurki w swoich piecach, otrzymują od 30 do 50 ich typów w jednym materiale. Nanorurki są bardzo małe, ich średnica jest sto tysięcy razy mniejsza niż ludzki włos i nie da się kontrolować produkcji w taki sposób, żeby powstały identyczne.
– Nanorurki widziane gołym okiem wyglądają jak czarna mąka – porównuje profesor PŚ. – Wyobraźmy sobie, że zmieszaliśmy ze sobą różne gatunki mąki, a jest ich przynajmniej dwadzieścia. Mieszamy zatem w różnych proporcjach trochę tortowej, nieco tej do pizzy, więcej grahamu, mniej białej – analogicznie powstają nanorurki. Z takiej mieszaniny nawet kilku rodzajów mąki żaden wypiek by nam nie wyszedł. Tak jest i tu, dlatego powstają metody, żeby dzielić te nanorurki na poszczególne typy – objaśnia.
Ponieważ czarny proszek jest jednorodny, a nanorurek nie można wydobyć jakimiś nanoszczypcami, to dzielenie przysparza naukowcom nie lada kłopotu. Dotychczasowe metody wymagały bardzo drogiego sprzętu – wirówek lub urządzeń elektrycznych zdolnych wychwycić minimalne różnice w wielkości nanorurek i sposobie zwinięcia. Kosztowne są też stosowane odczynniki chemiczne, a proces oddzielania trzeba robić w wielu, na przykład w kilkunastu, etapach. Pod tym względem byłoby to trudne do zastosowania w przemyśle, pomijając już sam fakt niskiej wydajności – w kolejnych krokach pozostaje bardzo niewiele materiału, na którym zależy badaczowi.
– Nasz pomysł bazuje na metodzie z 1885 roku opracowanej przez holenderskiego uczonego Martinusa Beijerincka. Kiedy wymieszał on ze sobą dwa roztwory wodne – agaru i żelatyny – bardzo się zdziwił, że tworzą one dwie osobne fazy. Analogicznie, jak rozlewamy olej na wodzie, one separują się od siebie. Od tamtej pory było to rozwijane przez biologów molekularnych, w ten sposób otrzymuje się enzymy, białka. Metodę tę także wykorzystuje się w farmaceutyce do oczyszczania substancji leczniczych – tłumaczy.
Tę zdolność do tworzenia dwóch warstw w roztworze (tzw. system dwufazowy) można wykorzystać do podziału nanorurek węglowych. Odpowiednie odczynniki dodane do takiego układu powodują, że połowa nanorurek „idzie” do góry, a połowa do dołu. Później kroku znów rozkładają się po równo w dole i w górze, aż po kilku krokach można uzyskać wybrany typ. Dr Janas i członkowie jego grupy badawczej chcieli zoptymalizować ten wieloetapowy proces. Postawili sobie za cel, że nauczą się selekcjonować nanorurki w jednym kroku. Czyli – zamiast dzielić pół na pół – spowodować, że wszystkie pójdą do góry, a tylko jedna wybrana grupa do dołu. Ustalili, że dolną fazę powinien stanowić wodny roztwór dekstranu (związku złożonego z cukrów), a na górze musi znaleźć się poli(glikol etylenowy). Wprowadzili jeszcze jeden związek chemiczny, który wpływa na „wędrówkę” nanorurek w roztworze. Chciano zmusić wybrany typ nanorurek, żeby wybrał określoną fazę, a całą resztę – aby porzuciła tego samotnika.
– Okazało się, że kluczowym związkiem jest amoniak. Albo hydrazyna, której cząsteczka jest jakby dwoma połączonymi ze sobą cząsteczkami amoniaku. Dodaliśmy delikatną ilość 75 mikrolitrów amoniaku i uczyliśmy się sterować podziałem. Odpowiednie stężenie amoniaku powoduje, że umiemy dany typ nanorurek z tej grupy wyselekcjonować w jednym kroku. Wszystkie inne idą sobie do góry, a my możemy wyselekcjonować nasz pożądany typ – deklaruje.
Polscy naukowcy mogą zadawać sobie różne typy nanorurek do wyselekcjonowania, nawet te będące w mniejszości. Skutecznie udawało się uzyskiwać nawet taki typ, który stanowił zaledwie 6 proc. całej mieszaniny.
– To jest tak precyzyjny system, że pozwala oddzielić od siebie nanorurki, których średnice różnią się od siebie tylko o jedną dziesiątą nanometra – to jest właściwie promień atomu wodoru! Okazuje się, że odpowiednie dopasowanie złożonego systemu odczynników pozwala nam tak precyzyjnie zadziałać, że ten nasz pożądany typ nanorurek znajduje się już tylko w jednej fazie – mówi z dumą główny autor publikacji, która ukazała się w Scientific Report.
Dr Janas przypuszcza, że skoro da się tak bardzo zwiększyć precyzję podziału w przypadku nanorurek węglowych, to system ten mógłby pozwolić również na precyzyjne oczyszczanie leków – oszczędzając kilka kroków, co się przekłada na niższy koszt. To jedno z możliwych rozwinięć tej technologii w przyszłości.
Autorska metoda chemików z Politechniki Śląskiej spotkała się z zainteresowaniem uczonych w Japonii, w Chinach i w Stanach Zjednoczonych. Nawiązano współpracę z narodowym laboratorium Los Alamos w USA, które zajmuje się badaniem właściwości optycznych nanorurek. Tamtejsi badacze wiążą duże nadzieje z usprawnieniem procedury selekcji nanorurek. Liczą na to, że otworzy ona możliwość zrozumienia świata nano szybciej i łatwiej, skoro wystarczy 5 związków chemicznych i blender.
Źródło: Nauka w Polsce
Publikacja w Scientific Report